可用于轨道车辆状态监控的欧洲数据基础设施——GAIA-X平台

1 背景

为实现轨道车辆的预测性维修、提高其可用性，铁路运营商和制造商通常会在轨道车辆上安装状态监测系统。这些系统的功能是利用与车辆控制系统的接口以及其自身安装的传感器采集车辆状态数据，并通过无线通信的方式将其传输至中央数据基础设施。中央数据基础设施中的数据库可提供从模式识别、知识生成到基于海量数据分析和机器学习的复杂预测等新型数据驱动服务，从而使车辆维修部门的维修决策更科学、维修策略更优化。

因此，欧洲各国近年来开发建设了大量铁路专用数据基础设施，但由于缺乏统一标准，导致建设和运营过程中存在以下问题。

（1）技术方面。由于各数据基础设施所使用的数据格式不统一，相关数据不能直接比较或重复使用。

（2）组织方面。制造商为获得并保持其竞争优势，对披露接口规范持保留态度，导致缺乏统一接口规范，难以实现不同数据基础设施之间的数据交换。

而解决上述问题的关键在于：

（1）通过标准化消除技术障碍，即实现技术接口的标准化、公开化；

（2）通过建立新的商业模式消除组织障碍，即实现不同数据基础设施间的数据及数据服务共享。

2 物联网（IoT）系统

对轨道车辆的状态监控通常通过IoT 系统实现。图 1展示了IoT 系统的基本架构。其主要由以下部分组成。

图1 IoT 系统基本架构

（1）边缘计算设备。即轨道车辆上收集数据、进行数据预处理并将其传输到中央数据基础设施的设备。其涉及的数据包括传感器采集数据及来自不同车辆控制系统的信息。

（2）通信设备。即连接各边缘计算设备与中央数据基础设施的设备，其采用各种传输介质进行数据传输，包括无线局域网（WLAN）、蓝牙、无线电以及不同的通信协议。

（3）中央数据存储设备。其作为数据基础设施的重要组成部分，包括数据库、数据池等多种形式，具有数据处理所需的计算能力、软件。

（4）大数据分析模块。即用于从采集数据中获得经验和知识的模型。

目前，若采用单一IoT 系统，则存在数据只能在该系统中使用的风险，因为制造商只提供自己的数据基础设施和分析平台，忽略了通过接口向外部系统提供服务。而利用数据创造价值不能仅限于一次性的分析，IoT 系统的数据必须与其他系统的数据实现链接、交互，确保其广泛的可用性，才能充分发掘其价值。

3 欧洲数据基础设施 GAIA-X 平台概述

为解决上述问题，以法国、德国为代表的欧盟国家从2018 年起致力推进旨在创建通用数据及云基础设施的 GAIA-X 项目。该项目的目标是构建一个符合欧洲数据保护标准、多样化且安全的数据交换及处理生态系统，通过内部透明的网络、提供硬件和软件服务的联合基础设施以及共同的身份验证系统，将不同的参与者联结在一起，实现数据的交互与共享。该项目的建设成果为GAIA-X 平台，包括数据生态系统、基础设施生态系统、认证和信任系统3 部分。

3.1 数据生态系统

数据生态系统是GAIA-X平台提供的可用数据网络，数据所有者、加工者及使用者可在其中免费或者通过彼此之间的简单协议共享数据。在这里，由数据所有者决定数据的处理方式和处理者，这使多方共享数据成为可能，也使数据所有者可以更轻松地进行组合报价。

图2 展示了在GAIA-X 数据生态系统中各参与者之间的合作关系。可利用对列车车门系统进行状态监控的示例对各参与者进行说明。

图2 GAIA-X 数据生态系统

（1）车门系统制造商（图2 中的浅蓝色圆圈）为其产品安装用于采集和提供状态数据的诊断设备，并根据采集的状态数据进行产品监控和改进。

（2）车辆制造商（图2 中的绿色圆圈）将车门集成到车辆和更高级别的诊断设备中。所有集成组件的数据都将被采集并传输给车辆制造商。

（3）车辆运营商（图2 中的红色圆圈）提供运输服务。为确保车辆可靠地定期运行，其需要获取车辆及其组件的实时状态数据。

（4）维修中心（图2 中的黄色圆圈）接收车辆运营商和制造商的维修订单，执行维修工作。其综合数据库可为备件物流提供支持，并且有助于简化维修过程。

3.2 基础设施生态系统

基础设施生态系统是指 GAIA-X 平台内由各种参与者提供的一系列服务。其基本组成部分为节点、服务、服务实例、数据资产，如图3 中的灰色框所示。

图3 GAIA-X 基础设施生态系统

（1）节点是指数据处理资源，如数据存储设备或服务器。

（2）服务是指云服务产品，如分析软件、数据库软件、网络应用程序。

（3）服务实例是指在特定数据处理资源（即节点）上执行的特定服务。

（4）数据资产包括计算单元、存储单元等，负责在GAIA-X 平台中提供数据。服务实例可调用数据资产，并对数据进行补充、分析和呈现。

各个提供技术组件及软、硬件集成的参与者在图3中以蓝色圆圈标示。GAIA-X 平台汇聚了跨公司、跨行业的数据及其相关产品，为参与者的联合奠定基础，以便使不同来源的产品、服务能够相互融合。

3.3 认证和信任系统

为实现跨公司、跨行业的数据链接与共享，GAIA-X平台提供运营数据及基础设施生态系统所必需的联邦服务，包括数据交换服务、身份验证及信任系统、访问系统，以及GAIA-X 平台中可用服务的目录。这些服务均开放源码，所有参与者可免费使用。GAIA-X 平台中，通过自我描述、政策和上传流程等方式确保组件和数据的可信度。

（1）自我描述是对基础设施生态系统组件基本属性的归类和描述，如标识符、所有者、包含组件等。

（2）政策用于规范组件和数据的使用。例如，数据所有者可以利用政策指定其数据的处理者和使用者。

（3）上传流程是指将组件的自我描述传输到GAIA-X 平台中央监控系统进行核查，并在符合要求的情况下为其颁发GAIA-X 证书。在获取证书后，该组件则可在GAIA-X 平台中使用。

4 将轨道车辆集成到 GAIA-X平台

对于新购轨道车辆及其组件，若其具备与GAIA-X平台兼容的软硬件条件，则可容易地集成到GAIA-X 基础设施生态系统中。然而，由于轨道车辆的生命周期通常较长（30～60 年），如何将已服役的大量轨道车辆整合到GAIA-X 基础设施生态系统中，是一个亟待解决的问题。

将车辆相关数据纳入GAIA-X 数据生态系统需要数据资产的支持。因此，车辆上的物联网系统必须包含作为集成或附加组件的数据资产。这一点可通过2 种方法实现：其一，在设计新物联网系统时，将相关组件作为GAIA-X 数据资产集成到新系统中；其二，对于无法更改组件的现有车辆系统，通过附加组件——网关实现集成，网关负责从现有系统中收集数据并使其在GAIA-X数据生态系统中可用（图4）。

图4 兼容GAIA-X 平台的车辆系统构架

4.1 将组件作为 GAIA-X 数据资产集成到新系统中

在这种情况下，车辆物联网系统的所有组件都在GAIA-X 平台架构中运行（图4 左）。边缘计算设备成为数据资产，负责提供恒定数据流；中央数据存储设备成为服务实例，负责收集、存储、提供来自边缘计算设备的数据。其优点在于，边缘计算设备可为多个服务实例（并行）提供数据支持，这不仅使中央数据存储设备的更换更容易，还允许将数据从边缘设备分发到多个服务实例。此外，大数据分析模块等其他组件也可成为服务实例，从而更有利于数据的交互。通过使用GAIA-X 平台身份验证和传输系统，可提高系统可连接性和数据传输效率。

4.2 通过网关将现有系统接入 GAIA-X 平台

在这种情况下，需要一个外部组件作为连接GAIA-X 平台的网关。该组件属于数据资产，连接现有系统的数据存储器，负责响应来自GAIA-X 平台的数据请求、为其提供现有系统相关数据（图4 右）。采用此种方法的优点在于可以在现有系统具有合适数据接口的条件下扩展现有系统的功能；缺点在于边缘计算设备不能被其他服务实例直接调用。因此，不建议将此方法用于新系统的开发。

5 结语

GAIA-X 平台的建立有利于克服目前轨道车辆状态监测领域的技术和组织障碍，实现数据所有者、处理者、使用者之间的数据交互和共享，以数据驱动的方式识别轨道车辆设计和维护方面的改进潜力，并据此提出提高车辆可用性的措施。